专利名称：激光微调法调谐螺旋共振器的共振频率、包含螺旋共振器的高温超导体滤波器的性能、或 ...的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光微调法调谐螺旋共振器的共振频率，涉及对高温超导体滤波器的各个螺旋共振器进行调谐以改善滤波器性能，或者涉及调谐平面线圈的共振频率。
背景技术：
高温超导体(HTS)滤波器在通讯、仪表和军事装备中得以应用。HTS滤波器的优点在于由于HTS材料内的损耗极低，所以其带内插入损耗极低、带外抑制高、并且边缘陡峭。在常规设计中，HTS滤波器和微复用器由螺旋共振器构成。
滤波器性能对构成滤波器的共振器的频率有很强的依赖性。电路参数(比如共振器图案化、基底厚度和介电常数)与HTS材料性能的变化进而影响共振器的频率。试图在生产过程中精确控制这些参数，既困难又代价高昂。制备所需HTS滤波器图案的难度随着滤波器中共振器或磁极数目的增加而增加。
所以，滤波器在制备后需要进行调谐。Shen在WO 01/41251中提出了一种对所述滤波器的中心频率进行调谐的方法，涉及提供与HTS滤波器间隔一定距离并相对的板。该板在其面对滤波器的至少部分表面上含有导电膜，优选HTS膜。可以调节板和滤波器之间的距离以调谐滤波器的中心频率。可替换地，可以通过调节螺杆或者电介质棒，对滤波器的各个共振器进行机械调谐。但是，由于共振器通常以无序方式变化，所以滤波器的每个磁极必须单独调谐，而且每个磁极的调谐会影响到滤波器中的每个其它磁极。调谐过程通常可能花费数小时。
Humphreys在美国专利No.03/048148中以及N.J.Parker等在2000IEEE MTT-S第1971页中公开了通过引导激光束到微波或RF电路上改变所述微波或RF电路选定区域的材料性质，对微波或RF电路进行调谐。公开了单微波带λ/2共振器的结果以及由三个单微波带λ/2共振器构成的伪-椭圆滤波器的结果。他们认为增加共振器频率比降低共振器频率容易。
本发明的目标是对HTS螺旋共振器或HTS线圈的共振频率进行调谐，以及通过提供通过对单个HTS螺旋共振器进行调谐以调谐滤波器性质的方法来改善由HTS螺旋共振器构成的HTS滤波器的生产能力。
发明内容
本发明提供了通过用激光束烧蚀高温超导体螺旋共振器的部分对高温超导体螺旋共振器的共振频率进行调谐的方法。
高温超导体螺旋共振器共振频率的增加可以通过在螺旋共振器的高温超导体螺旋的外端烧蚀该高温超导体来实现。高温超导体螺旋共振器共振频率的降低可以通过在螺旋共振器的高温超导体螺旋的内端烧蚀该高温超导体来实现。沿着高温超导体螺旋共振器在内部位置进行激光微调，会导致共振频率的增加或降低，具体取决于微调的位置。当在电流密度足够低的内部位置进行微调时，共振频率增加；当在电流密度足够高的内部位置进行微调时，共振频率下降。多次微调导致的最终共振频率的频移具有累加性。
本发明还提供了通过用激光束烧蚀一个或多个高温超导体螺旋共振器的部分，对由至少两个高温超导体螺旋共振器构成的高温超导体滤波器的滤波器性质进行微调的方法。
本发明还提供了通过用激光束烧蚀高温超导体平面线圈的部分，对高温超导体平面线圈的共振频率进行微调的方法。
高温超导体平面线圈的共振频率的增加，可以通过在平面线圈的高温超导体的外端或者平面线圈的高温超导体的内端烧蚀所述高温超导体来实现。沿着高温超导体平面线圈在内部位置进行激光烧蚀，会导致共振频率增加或降低，具体取决于微调的位置。当在电流密度足够低的内部位置进行微调时，共振频率增加；当在电流密度足够高的内部位置进行微调时，共振频率下降。多次微调导致的最终共振频率的频移具有累加性。
本发明还提供了形成高温超导体电路元件的方法，包括a)在基底上形成高温超导体材料膜；和b)用激光束烧蚀高温超导体膜的选定区域，同时保护形成该电路元件的图案的高温超导体膜的其它区域不被烧蚀。
所述电路元件可以是螺旋共振器、滤波器、线圈或任何其它有用的高温超导体部件。
图1示出了包括8个HTS矩形螺旋共振器和7个共振器间耦合器的8磁极滤波器。
图2示出了标记了一些微调位置的矩形螺旋共振器。
图3示出了实施例1的8磁极滤波器在本发明的激光微调之前的S21和S11。
图4示出了实施例1的8磁极滤波器在本发明的激光微调之后的S21和S11。
图5示出了实施例2-4所用的矩形螺旋共振器以及去除材料的位置。
图6示出了实施例2-4的共振曲线和频率。
图7A和7B示出了实施例5-7所用的矩形螺旋共振器以及去除材料的位置。
图8示出了实施例5-7的共振曲线和频率。
图9A和9B示出了实施例8-16所用的矩形螺旋共振器以及去除材料的位置。
图10示出了实施例17-27所用的矩形螺旋共振器并在该矩形螺旋共振器上标记了不同位置。
图11示出了实施例17-20中图10所示的矩形螺旋共振器的外端以及去除材料的位置的放大图。
图12示出了实施例21-24中图10所示的矩形螺旋共振器的内端以及去除材料的位置的放大图。
图13示出了实施例25-27中具有去除材料的典型位置的图10矩形螺旋共振器。
图14示出了实施例25中每个去除材料的近角位置的共振频率频移和峰值电流密度的关系。
图15示出了实施例26中每个去除材料的内边位置的共振频率频移和峰值电流密度的关系。
图16示出了实施例27中每个去除材料的外边位置的共振频率频移和峰值电流密度的关系。
图17示出了实施例25、26和27中观察到的频率频移和去除材料的位置处的峰值电流密度之间的关系。
图18示出了实施例28的8磁极滤波器在本发明激光微调之前的S21和S11。
图19示出了实施例28的8磁极滤波器在本发明激光微调之后的S21和S11。
图20示出了实施例29的8磁极滤波器在本发明激光微调之前的S21和S11。
图21示出了实施例29的8磁极滤波器在本发明激光微调之后的S21和S11。
图22示出了实施例30的8磁极滤波器在本发明激光微调之前的S21和S11。
图23示出了实施例30的8磁极滤波器在本发明激光微调之后的S21和S11。
具体实施例方式
本发明提供了通过激光微调高温超导体螺旋共振器而对高温超导体螺旋共振器的共振频率进行调谐的方法。该方法用于很容易地增加或降低高温超导体螺旋共振器的共振频率。本发明还提供了通过激光微调一个或多个高温超导体螺旋共振器，而对包括至少两个高温超导体螺旋共振器的高温超导体滤波器的性质，比如滤波器性质，进行调谐的方法。该方法使得能够增加或降低HTS滤波器的中心频率和将该中心频率基本保持不变并同时在带通区域内调节响应，或者既改变HTS滤波器的中心频率又在带通区域内调节响应。当HTS滤波器进一步包括HTS共振器间耦合器时，对该HTS共振器间耦合器进行激光微调使所述带通区域的带宽变窄。激光微调，或微调，就是用激光束烧蚀高温超导体材料。
通常，HTS螺旋共振器，或者包括螺旋共振器的滤波器如下制备，在适当单晶基底上沉积HTS材料膜并随后用光刻胶涂覆该HTS材料。然后，在该光刻胶上放置具有螺旋共振器或滤波器图案的掩模，并暴露到有光化性的光下。光刻胶显影，当光刻胶显影时HTS材料的暴露部分例如通过氩离子蚀刻去除。然后去除剩下的光刻胶，例如通过氧蚀刻。也可以采用其它方法制备HTS螺旋共振器或滤波器。无论HTS螺旋共振器或滤波器是如何制备的，本发明的激光微调方法都可以随后对该HTS螺旋共振器或滤波器进行微调。
由HTS膜形成HTS滤波器的新型一步法是对HTS膜进行激光蚀刻，以形成滤波器并对其进行微调。这种技术也可用于形成HTS共振器、HTS线圈和其它HTS电路元件。优选HTS线圈是平面线圈，即，表面线圈。可以对激光器进行编程，以引导激光束照射HTS膜将被激光束烧蚀的那些区域，并避开HTS膜的形成HTS元件所需图案的那些区域。
图1示出了包括8个矩形HTS螺旋共振器和7个HTS共振器间耦合器的8磁极或8共振器HTS滤波器。在实施例1中采用了这种设计的HTS滤波器，下面将进一步描述。图2示出了一个所述HTS螺旋共振器。该螺旋共振器包括宽度为w的高温超导体线，其以矩形螺旋形式取向，使得螺旋共振器的相邻线之间互相间隔间隙距离d，从而在该螺旋共振器内部提供了中心开口1。
共振频率是fs＝1/{2π[LC]1/2}其中L和C是螺旋共振器的电感和电容。等效地，当螺旋共振器长度等于nλ/2时发生共振，其中λ是传播电磁波的波长，n是整数。HTS螺旋共振器可以具有不同形状，包括矩形、具有圆角的矩形、具有多于4条边的多边形、和圆形。优选滤波器中的所有HTS螺旋共振器具有相同形状。可以在中心开口1内放置导电性调谐垫，以精细调谐螺旋共振器的频率。这种调谐垫可以是高温超导体，并且在激光微调过程中可以被烧蚀以调整共振频率。
现在已经发现HTS螺旋共振器的共振频率很容易通过在特殊位置处微调HTS螺旋线而增加或降低。例如，在HTS螺旋的外端，例如在图2的位置2处微调，即烧蚀高温超导体材料，提高了共振频率。相反，在HTS螺旋的内端，例如，在图2的位置3处微调高温超导体材料，降低了共振频率。
也可以通过在沿着HTS螺旋的内部位置处微调来很容易地增加或降低共振频率。内部位置是位于外端2和内端3之间沿着HTS螺旋的任何位置，例如在图2的位置4-8。在内部位置微调时共振频率增加或者降低，以及(如果有)频率变化的大小，都取决于沿着HTS螺旋的进行微调的位置；而且，对于沿着HTS螺旋的给定距离而言，还取决于所述位置是在HTS螺旋线的外边(例如，位置7)还是在HTS螺旋线的内边(例如，位置3、4、5和8)。
共振频率对微调位置的依赖性是源于不同位置具有不同电流密度的事实。沿着HTS螺旋线、位于HTS线的外边和内边之间的不同位置的电流密度不同。对于给定量的微调的材料的情况，在微调位置的电流密度和频率变化之间存在着线性关系。在电流密度低的内部位置处微调，导致共振频率增加。在具有更大些电流密度的微调位置处，对于微调量相同的情况，共振频率的增加幅度变小。在电流密度高的微调位置处，微调导致共振频率下降。某位置处的电流密度越大，由具体量的微调导致的共振频率下降值越大。
在电流密度低得足以使当在该位置对HTS螺旋线进行微调时共振频率增加的位置，比如内部位置，通常具有的电流密度小于沿着该HTS螺旋线观察到的最大电流密度的约25％。在电流密度高得足以使当在该位置对HTS螺旋线进行微调时共振频率降低的位置，比如内部位置，通常具有的电流密度大于沿着该HTS螺旋线观察到的最大电流密度的约25％。但是，导致共振频率增加或降低的电流密度量并不是固定不变地限制在上述范围内。
例如，微调位置4-6沿着HTS螺旋线距外端足够远，并且位于HTS螺旋线的内边，使得这些位置的电流密度高得足以在微调时使共振频率下降。如上所述，对于给定量的微调，在电流密度最高的区域内共振频率的下降最有效。与在距拐角更远、电流密度更小的位置5处进行相同量的激光微调所发现的情况相比，在距螺旋共振器拐角更近、预计和观察到的电流密度更高的位置4处进行激光微调使共振频率下降更多。距拐角最远的位置6在这三个位置中电流密度最低，所以在微调时共振频率频移最小。
共振频率增加或降低的幅度取决于烧蚀的HTS量。对各种不同内部位置的选择，提供了烧蚀量相同时的不同灵敏度，即频率增加或降低的不同幅度，具体取决于该位置处的电流密度。
包括至少两个HTS螺旋共振器的HTS滤波器的性质可以通过激光微调以各种方式改变。如果带通的中心频率是所需频率，则可以通过对一个或多个单独HTS螺旋共振器进行激光微调以使所有HTS螺旋共振器的共振频率等于带通中心频率来改善带内性质。如果带通中心频率不是所需频率，则通过对单独HTS螺旋共振器进行激光微调以使所有HTS螺旋共振器的共振频率等于更低或更高中心频率来获得所述更低或更高中心频率。另外，带内性质得到改善。
通过在相邻螺旋共振器的边缘使电磁场重叠，在HTS滤波器的相邻HTS螺旋共振器之间提供了共振器间耦合。另外，如图1所示，可以在HTS螺旋共振器之间提供HTS线充当共振器间耦合器。当提供了HTS共振器间耦合器时，这些耦合器可以经激光微调来减小带通区域的带宽。
用以调谐高温超导体平面线圈共振频率的方法和用于调谐螺旋共振器共振频率的方法相类似，只有一处例外。在HTS平面线圈外端处对高温超导体材料进行微调增加了共振频率。共振频率可以通过在沿着HTS平面线圈的内部位置处进行微调而容易地增加或降低。当在电流密度足够低的内部位置微调时，共振频率增加；当在电流密度足够高的内部位置微调时，共振频率降低。
HTS平面线圈微调和HTS螺旋共振器微调的类似行为的一处例外涉及在HTS平面线圈内端处对高温超导体材料进行微调。由于平面线圈内端处的耦合和螺旋共振器内端处的耦合在强度上并不近似相同，所以在HTS平面线圈内端处对高温超导体材料进行微调导致共振频率增加，这和在螺旋共振器内端处进行微调时出现的共振频率降低不同。由多次微调导致的最终共振频率的频移具有累加性。
在所有上述实施方案中，优选高温超导体选自YBa2Cu3O7、Tl2Ba2CaCu2O8、TIBa2Ca2Cu3O9、(TIPb)Sr2CaCu2O7和(TIPb)Sr2Ca2Cu3O9。单晶基底独立选自LaAlO3、MgO、LiNbO3、蓝宝石(A12O3)和石英。优选LaAlO3和蓝宝石。在沉积超导体之前在基底上具有氧化物缓冲层或中间层，可用于促进超导体膜的生长。因此，本文谈到“在合适单晶基底上沉积HTS材料膜”包括和基底的直接密切接触以及和基底上的中间层或缓冲层密切接触。
可以采用各种激光器实施用于对HTS共振器、HTS滤波器和HTS线圈进行调谐以及用于形成HTS电路元件的激光微调方法，但是优选受激准分子激光器。重要的是能够在HTS电路元件处于液氮温度时进行激光微调，使得HTS材料具有超导性而且HTS电路元件性能的变化可以在微调过程中进行监控。在所述HTS电路元件和电路分析仪之间必须提供电连接。
本发明的有利效果通过下述一系列实施例得以证实。这些实施例所基于的本发明实施方案仅仅用以示例，并不是限制所述权利要求的范围。
在下面的实施例1、28、29和30中，采用了下列仪器和程序。配有0.1μm精度的X、Y、Z、θ试样台以及过程照相机和靶向照相机的193nm受激准分子激光器(Lambda Physik LPX□220，Gottingen，Germany)被用来进行微调。采用矩形可变光圈或者像投影掩模将激光器缩倍到50μm×50μm方形光斑。激光器电压和可变传输范围经设置后得到500-1200mJ/cm2的流量。优选进行12×的缩倍以得到50μm×50μm汇聚方形光斑和750-1000mJ/cm2的流量。具有滤波器的基底被安装在铜滤波器支座上。液氮夹具为液氮提供了存储器，而且使滤波器和分析仪Agilent 8753 Vector Network Analyzer(AgilentTechnologies，PaloAlto，CA)之间可以有电连接。从而使得滤波器可以在液氮温度进行激光微调，同时提供电力并监控滤波器对微调的响应。
网络分析仪提供了S11和S21的曲线。S11是输入端口反射系数的幅度，S21是从输入端口到输出端口的传输系数的幅度。S11和S21是滤波器实际应用的重要参数，此处用于表征滤波器随激光器微调的变化。在带通区域以外，S11应该接近1，即，约0dB。S11在带通区域内的幅度应该尽可能地低。在带通区域内，S21应该接近1，即，约0dB。S21在带通区域外的幅度应该尽可能地低。
具有安装了的基底的铜滤波器支座被固定到液氮夹具上。液氮夹具安装在激光器的X、Y、Z、θ试样台上。滤波器表面必须是平面，并具有激光器的焦点。在滤波器表面的非关键区域上照射激光器测试短脉冲，以确保激光器处于聚焦状态而且两个照相机处于对准状态。在滤波器上放置铝盖，并将该铝盖固定到铜滤波器支座上。铝盖具有开口，所述开口延伸穿过铝盖的整个表面。铝盖为石英窗提供了支撑，所述石英窗用带子固定到铝盖上。石英窗容纳滤波器上方的沸腾液氮，并防止在滤波器表面上冷凝和/或结霜，同时允许193nm UV辐射通过以进行微调。在液氮夹具、铝盖和石英窗上放置了暂时性液氮夹具盖，以防止在石英窗表面上出现冷凝累积。
采用干氮气吹扫激光束输送光路、激光束输送喷嘴和液氮夹具。吹扫持续15-20分钟。然后，将RF光缆连接滤波器的输入和输出并连接网络分析仪。将液氮缓慢加入液氮夹具存储器直至加满。持续加入液氮以代替沸腾的量，直到液氮夹具温度稳定为止。所述稳定可以通过观察分析仪显示的滤波器响应进行确认。去除该暂时性液氮夹具盖，通过使另外的测试短脉冲穿过石英窗到达滤波器表面的非关键区域来确认激光器的聚焦以及激光束的对准。现在，滤波器的螺旋共振器做好了微调的准备。
实施例1本实施例验证了本发明的激光微调方法可用于改善图1所示设计的8磁极滤波器的带通区域的性质，同时将滤波器的带通区域的中心频率和带宽基本保持不变。
采用LaAlO3基底上的双侧Tl2Ba2CaCu2O8膜制备所述8磁极HTS滤波器，制备过程如下。从MTI Corporation，Richmond，CA得到干净的抛光的单晶LaAlO3基底，75mm×35mm×0.5mm。采用化学计量比为2∶1∶2的Ba∶Ca∶Cu氧化物靶的离轴磁控溅射于室温(约20℃)在基底的两侧上沉积非晶态前体Ba∶Ca∶Cu氧化物膜。该非晶态Ba∶Ca∶Cu氧化物膜厚度约为550nm，化学计量比约为2∶1∶2。然后，在存在Tl2Ba2CaCu3O10和Tl2O3的粉末混合物的情况下，于850℃在空气中退火约10分钟，对该前体膜进行铊化处理(thallinate)。当加热所述粉末混合物时，Tl2O从粉末混合物中形成，扩散到前体膜并与之反应，以形成Tl2Ba2CaCu2O8相。
然后，采用氩离子束对该Tl2Ba2CaCu2O8膜表面进行清洁。在基底背侧的未形成图案的Tl2Ba2CaCu2O8膜上，蒸镀上金膜并完全覆盖。然后，在两侧涂覆光刻胶并烘烤。具有图1所示设计的三个滤波器的滤波器设计掩模得以制备。每个共振器的HTS线是300μm，在HTS线之间的间隙为50μm。图1中的图是按比例绘制的。随后，将滤波器设计掩模放置到覆盖着基底前侧的Tl2Ba2CaCu2O8膜的光刻胶上，并暴露到紫外光下。光刻胶随后显影，在光刻胶显影时暴露出来的Tl2Ba2CaCu2O8膜的部分通过氩束蚀刻去除。然后，用氧等离子去除剩下的光刻胶层。随后采用片锯分开单个滤波器。在本实施例中采用了这些滤波器中的一个。
然后，安装滤波器，如上所述准备进行微调。
测量了滤波器在激光微调前的S11和S21，结果如图3所示。
滤波器的螺旋共振器进行下列激光微调，同时监控分析仪提供的S11和S21。目标是改善带通区域的性质并同时保持滤波器的带通区域的中心频率和带宽基本不变。所用过程是重复性的，对每个螺旋共振器依次基本相同。微调从第一螺旋共振器的螺旋的外端开始。这样提高了螺旋共振器的共振频率。在外端持续进行微调，只要S11和S21度量的滤波器性能持续增加即可。如果在螺旋外端处的初始微调或持续微调导致该螺旋共振器或者任何其它螺旋共振器的性能恶化，则停止在该处的微调，并在电流密度高得足以使微调会导致共振频率下降的螺旋内拐角处进行微调。在该内拐角处持续微调，只要性能改善即可。对每个共振器依次重复这个过程，直到已经微调了所有8个螺旋共振器为止。微调全部8个螺旋共振器的过程重复多于4次。重复次数取决于滤波器的获得性能与所需性能的比较。
测量滤波器在激光微调后的S11和S21，结果如图4所示。与图3所示的这些系数微调前的结果相比，带通区域的中心频率和带宽基本保持不变。但是，带通区域中的S11幅度降低，导致滤波器性能改善。
实施例2-4这些实施例采用Sonnet Software，Inc.，Liverpool，NY13088的Sonnet EM软件模拟HTS螺旋共振器的性能，并验证了在螺旋外端烧蚀不同量时HTS螺旋共振器的共振频率变化。采用了下列模型。基底厚度为0.508mm，介电常数为24，具有前侧和背侧。螺旋共振器和基底前侧密切接触。在基底背侧上具有研磨的平面，它实际上会是空白的(即，连续的)HTS膜。电路的研磨顶盖和侧壁都距离螺旋共振器足够远，使其影响可以忽略不计。
图5所示的矩形螺旋共振器被选来进行模拟。螺旋共振器线宽为308μm，线之间的间隙为44μm。螺旋共振器在没有去除材料时的共振频率为1.8607GHz。如图5所示，在共振器外端去除材料，以模拟通过激光烧蚀在该处去除HTS材料。去除材料量是深度为d、长度为l的切口，如图5所示。在每个实施例中，去除材料的深度相同，即d＝44μm。切口长度l对实施例2而言是44μm，实施例3是88μm，实施例4是132μm。接下来确定每个实施例的螺旋共振器的共振频率。实施例2的共振频率是1.8613GHz，实施例3的是1.8617GHz，实施例4的是1.8621GHz。共振曲线和频率如图6所示。表I总结了在没有微调的共振频率上的共振频率增加值。
表I
这些实施例证实，当从螺旋外端烧蚀材料时，螺旋共振器的共振频率增加。去除的材料越多，共振频率增加得越多。
实施例5-7采用和实施例2-4所用相同的Sonnet EM软件以及相同的矩形螺旋共振器和基底实施这些实施例。和实施例2-4的共振器一样，没有去除材料的螺旋共振器的共振频率是1.8607GHz。
如图7A所示，对实施例5-7而言，在共振器内端9处去除材料以模拟在该处通过激光烧蚀去除HTS材料。详细去除位置如图7B所示，其中去除的材料量用深度为d、长度为1的切口表示。在每个实施例中，去除材料的深度相同，即d＝44μm。切口长度l对实施例5而言是44μm，实施例6是88μm，实施例7是132μm。确定每个实施例的螺旋共振器的共振频率。实施例5的共振频率是1.8605GHz，实施例6的是1.8603GHz，实施例7的是1.8600GHz。共振曲线和频率如图8所示。表II总结了在没有微调的共振频率上的共振频率下降值。
表II
这些实施例证实，当从螺旋内端烧蚀材料时，螺旋共振器的共振频率降低。去除的材料越多，共振频率下降得越多。这种调谐共振频率的方法具有以下前提条件与所传播电磁波的波长λ相比，将在共振器螺旋内端微调的区域深度d小，即，深度d小于约λ/50。如果在螺旋内端进行大量微调，即，使得深度d大于约λ/50，则共振频率将随着微调量的增加而增加。
实施例8-16采用和实施例2-4所用相同的Sonnet EM软件以及相同的矩形螺旋共振器和基底实施这些实施例。和实施例2-4的共振器一样，没有去除材料的螺旋共振器的共振频率是1.8607GHz。
如图9A所示，对实施例8-16而言，在靠近共振器HTS螺旋线内边处的拐角处去除材料，以模拟在该处通过激光烧蚀去除HTS材料。去除材料的三个位置如图9A中的A、B和C所示。在位置A执行实施例8-10。在位置B执行实施例11-13。在位置C执行实施例14-16。图9B详细示出了去除的材料，其中去除的材料量用深度为d、长度为l的切口表示。在每个实施例中，去除材料的深度相同，即d＝44μm。切口长度1对实施例8、11和14而言是44μm，实施例9、12和15的是88μm，实施例10的是132μm。确定每个实施例的螺旋共振器的共振频率。共振曲线和图6以及图8所示的在形状上相同。表III总结了共振频率和在没有微调的共振频率上的共振频率下降值。
表III
这些实施例证实，当从螺旋内边上的较高电流密度的内部位置烧蚀材料时，螺旋共振器的共振频率降低。在位置A处烧蚀对降低共振频率最有效，该位置最靠近拐角，预计电流密度较高。位置B距拐角较远并具有较低的电流密度，烧蚀程度相同时共振频率下降值更小。位置C距拐角最远并具有最低的电流密度，烧蚀程度相同时共振频率下降值最小。实施例14的共振频率下降值小于0.1MHz。在每一位置处，共振频率随着微调量的增加下降得更多。
实施例17-20这些实施例采用Sonnet Software，Inc.，Liverpool，NY13088的Sonnet EM软件模拟HTS螺旋共振器的性能，并验证了在螺旋外端烧蚀不同量时HTS螺旋共振器的共振频率变化。采用了下列模型。基底厚度为0.508mm，介电常数为24，具有前侧和背侧。螺旋共振器和基底前侧密切接触。在基底背侧上具有研磨的平面，它实际上会是空白的(即，连续的)HTS膜。电路盒大小为11.264mm×7.48mm×5.0mm。图10所示的矩形螺旋共振器被选来进行模拟。螺旋共振器线宽为308μm，线之间的间隙为44μm。螺旋共振器在没有去除材料时的共振频率为1.88671GHz。在图10中用字符a-n标记了在螺旋共振器上的不同位置。
图11是位置a，即图10所示HTS螺旋线的外端的放大图。如图11所示，对于实施例17-20而言，去除材料以模拟通过激光烧蚀在该处去除HTS材料。实施例17、18和19中去除的材料量是分别位于位置a1、a2和a3的宽度为44μm、切入HTS线端部88μm的切口，如图11所示。实施例20中的去除材料量是横跨HTS线的整个宽度切入HTS线端部44μm的切口，如图11的十字阴影区a4所示。确定每个实施例的螺旋共振器的共振频率。共振曲线在形状上和图6以及图8所示相似。表IV总结了共振频率和在没有微调的共振频率上的共振频率增加值。
表IV
这些实施例证实，当从螺旋外端烧蚀材料时，螺旋共振器的共振频率增加。增加的幅度取决于烧蚀位置和去除的材料量。
实施例21-24采用和实施例17-20所用相同的Sonnet EM软件以及相同的矩形螺旋共振器和基底实施这些实施例。和实施例17-20的共振器一样，没有去除材料的螺旋共振器的共振频率是1.88671GHz。
图12是图10所示位置n，即HTS螺旋线内端的放大图。如图12所示，对实施例21-24而言，去除材料以模拟在该处通过激光烧蚀去除HTS材料。实施例21、22和23中去除材料量分别对应于位置n1、n2和n3处的宽度为44μm、切入HTS线端部88μm的切口，如图12所示。实施例24中的去除材料量对应于横跨HTS线的整个宽度切入HTS线端部44μm的切口，如图12的十字阴影区n4所示。确定每个实施例的螺旋共振器的共振频率。共振曲线在形状上和图6以及图8所示相似。表V总结了共振频率和在没有微调的共振频率上的共振频率下降值。
表V
这些实施例证实，当从螺旋内端烧蚀材料时，螺旋共振器的共振频率下降。下降的幅度取决于烧蚀位置和去除的材料量。
实施例25采用和实施例17-20所用相同的Sonnet EM软件以及相同的矩形螺旋共振器和基底实施这些实施例。和实施例17-20的共振器一样，没有去除材料的螺旋共振器的共振频率是1.88671GHz。
在图10所示的内部位置b-k处，从HTS螺旋线的内边去除材料，以模拟在这些位置处通过激光烧蚀去除HTS材料。这些位置的每一个都靠近HTS螺旋共振器的拐角。在每个位置去除的材料量是宽度为441μm和深度为88μm的切口。切口在和图示位置最接近的拐角距离99μm处开始，宽度为44μm。它深入螺旋线88μm。在图13中g处示出了一个这种切口。确定在邻近图10所示b-k拐角每一相似位置处去除材料后的螺旋共振器的共振频率。共振曲线在形状上和图6及8所示的那些相似。图14绘制了在位置b-k的每一处观察到的共振频率由于仅仅在所示位置进行微调而产生的频移。通过模拟1V电源施加到没有去除材料的螺旋共振器上的情况，获得了电流密度数据。峰值电流密度很容易从模拟数据得到，并在此用作电流密度的衡量标准。但是，可替换方案会采用微调区域处的平均电流密度作为电流密度的衡量标准而不是峰值电流密度。采用该软件获得的电流密度是线性电流密度。图14还绘制了在位置b-k每一处没有去除材料时的峰值电流密度。
对位置b而言，电流密度小，正向频移小，即，共振频率少量增加。对所有其它位置而言，电流密度相对较高，出现负向频移，即，共振频率下降。位置g的电流密度最高，共振频率下降最多。该实施例证实通过在不同内部位置微调，可以调整螺旋共振器共振频率，而且对于材料去除量一定的情况，调整量取决于微调位置，即，取决于该位置的电流密度。
实施例26采用和实施例17-20所用相同的Sonnet EM软件以及相同的矩形螺旋共振器和基底实施这些实施例。和实施例17-20的共振器一样，没有去除材料的螺旋共振器的共振频率是1.88671GHz。
在图10所示的拐角b-k中间的内部位置处，从HTS螺旋线的内边去除材料，以模拟在这些位置处通过激光烧蚀去除HTS材料。端部a和拐角b之间的内边中点记为ab，拐角b和拐角c之间的内边中点记为bc，等等。在每个内边中点位置去除的材料量是宽度为44μm、切入螺旋线深度为88μm的切口。在图13中示出了拐角e和f之间的内边中点，即位置ef的一个这种切口。确定在内边中点位置ab-jk的每一处去除材料后的螺旋共振器的共振频率。共振曲线在形状上和图6及8所示的那些相似。图15绘制了在内边中点位置ab-jk的每一处观察到的共振频率由于仅仅在所示位置进行微调而产生的频移。如实施例25所示获得了电流密度数据，在位置ab-jk每一处没有去除材料时的峰值电流密度也绘制在图15中。
对位置ab和bc而言，电流密度小，正向频移小，即，共振频率少量增加。对所有其它位置而言，电流密度相对较高，出现负向频移，即，共振频率下降。具有较高电流密度的位置的共振频率下降较多。该实施例证实通过在不同内部位置微调，可以调整螺旋共振器共振频率，而且对于材料去除量一定的情况，调整量取决于微调位置，即，取决于该位置的电流密度。
实施例27采用和实施例17-20所用相同的Sonnet EM软件以及相同的矩形螺旋共振器和基底实施这些实施例。和实施例17-20的共振器一样，没有去除材料的螺旋共振器的共振频率是1.88671GHz。
在图10所示的拐角b-k中间的内部位置处，从HTS螺旋线的外边去除材料，以模拟在这些位置处通过激光烧蚀去除HTS材料。端部a和拐角b之间的外边中点记为ab’，拐角b和拐角c之间的外边中点记为bc’，等等。在每个外边中点位置去除的材料量是宽度为44μm、切入螺旋线深度为88μm的切口。在图13中示出了端部a和拐角b之间的外边中点，即位置ab’的一个这种切口。确定在外边中点位置ab’-jk’的每一处去除材料后的螺旋共振器的共振频率。共振曲线在形状上和图6及8所示的那些相似。图16绘制了在外边中点位置ab’-jk’的每一处观察到的共振频率由于仅仅在所示位置进行微调而产生的频移。如实施例25所示获得了电流密度数据，在位置ab’-jk’每一处没有去除材料时的峰值电流密度也绘制在图16中。
峰值电流密度对沿着螺旋线的外边中点位置的依赖性变化相当大。电流密度在ab’处为中等幅度，朝着螺旋线外端，先增加通过位置de’处的最大值，再在位置gh’下降到最低值，然后朝着内端沿着螺旋线增加。频移相应发生变化。对于沿着螺旋线外面部分的位置而言，频移为负值，即，共振频率下降。对于gh’而言，频移小而且为正值，然后对于更靠近螺旋线内端的位置而言，变为负值。该实施例证实通过在不同内部位置微调，可以调整螺旋共振器共振频率，而且对于材料去除量一定的情况，调整量取决于微调位置，即，取决于该位置的电流密度。
和实施例26比较发现，在沿着螺旋线给定位置微调相同量可以产生相当不同的结果，具体取决于所述调谐是沿着螺旋线内边还是外边。在实施例26中在内边位置gh和hi微调导致共振频率大幅达下降。在实施例27中在外边位置gh’和hi’微调导致共振频率少量增加。与之相反，在内边de和外边de’处微调导致共振频率出现大致相同的下降。
为了验证电流密度在确定在沿着螺旋线的内部位置处进行给定量微调对共振频率的影响方面的重要性，图17示出了在实施例25、26和27中不同位置处观察到的频移和这些位置处峰值电流密度的关系曲线。在沿着螺旋线的内部点处进行微调而产生的频移大致线性依赖于在微调位置处的峰值电流密度，如图17中的线所示。相信如果绘制频移和平均电流密度的关系曲线，则线性适配会更好。
实施例28
本实施例验证了采用本发明的激光微调方法降低具有图1所示设计的8磁极滤波器的带通区域的中心频率，同时保持所述滤波器的带通区域的带宽基本不变。
所述8磁极滤波器以基本和实施例1相同的步骤来制备。
如上所述安装滤波器并准备进行微调。
测量滤波器在微调前的S11和S21，结果如图18所示。
滤波器的螺旋共振器按照类似于实施例1所示的方式进行激光微调。但是，由于本实施例的目标是降低带通的中心频率并同时保持带通区域的带宽基本不变，所以从第一螺旋共振器的螺旋的内拐角处开始微调，该处的电流密度高得足以使微调会导致共振频率下降。在该内拐角持续微调，只要性能提高即可。随后，移到螺旋的外端进行微调，以确定在该处的微调是否改善了性能。以类似方式对8个螺旋共振器的每一个进行微调。微调全部8个螺旋共振器的过程重复6次以上。在开始几次重复时，获得了较大的频移，在后几次重复时，获得了细微的微调以及S11和S21的提高。
测量滤波器在激光微调后的S11和S21，结果如图19所示。和图18所示的微调前的这些系数结果比较，发现中心频率下移约6MHz。带通区域中的S11幅度也降低，导致滤波器性能得到改善。带通区域的带宽基本保持不变。
实施例29本实施例验证了采用本发明的激光微调方法升高具有图1所示设计的8磁极滤波器的带通区域的中心频率，同时保持所述滤波器的带通区域的带宽基本不变。
所述8磁极滤波器以基本和实施例1相同的步骤来制备。
如上所述安装滤波器并准备进行微调。
测量滤波器在微调前的S11和S21，结果如图20所示。
滤波器的螺旋共振器按照类似于实施例1所示的方式进行激光微调。由于本实施例的目标是升高带通的中心频率并同时保持带通区域的带宽基本不变，所以从第一螺旋共振器的螺旋的外端处开始微调，以便提高该共振器的共振频率。在该外端持续微调，只要性能提高即可。随后，移到第一螺旋共振器的螺旋的内拐角进行微调，该处的电流密度高得足以使微调会导致共振频率下降，以确定在该处的微调是否改善了性能。以类似方式对8个螺旋共振器的每一个进行微调。微调全部8个螺旋共振器的过程重复6次以上。在开始几次重复时，获得了较大的频移，在后几次重复时，获得了细微的微调以及S11和S21的提高。
测量滤波器在激光微调后的S11和S21，结果如图21所示。和图20所示的微调前的这些系数结果比较，发现中心频率上移约7MHz。带通区域中的S11幅度下降，导致滤波器性能得到改善。带通区域的带宽基本保持不变。
实施例30本实施例验证了采用本发明的激光微调方法改善具有图1所示设计的8磁极滤波器的带通区域的性质，同时保持所述滤波器的带通区域的中心频率和带宽基本不变。
所述8磁极滤波器以基本和实施例1相同的步骤来制备。
然后，如上所述安装滤波器并准备进行微调。
测量滤波器在微调前的S11和S21，结果如图22所示。
由于本实施例的目标和实施例1的相同，即改善具有图1所示设计的8磁极滤波器的带通区域的性质并同时保持带通区域的中心频率和带宽基本不变，所以该滤波器的螺旋共振器进行和实施例1所示基本相同的激光微调。
测量滤波器在激光微调后的S11和S21，结果如图23所示。和图22所示的微调前的这些系数结果比较，发现带通区域的中心频率和带宽基本保持不变。但是，带通区域中的S11幅度降低而且带通区域的S21幅度上升，导致滤波器性能得到改善。
在陈述或描述本发明的仪器或方法包含、包括、含有、具有某些组件或步骤，或者由某些组件或步骤构成或构建的地方，应该理解，除非明确给出了相反声明或描述，在所述仪器或方法中可以存在除了这些明确声明或描述以外的一个或多个组件或步骤。但是，在可替换实施方案中，本发明的仪器或方法可以被陈述或描述成基本由某些元件或步骤组成，则在该实施方案中会不存在那些会显著改变所述仪器或方法的操作原理或区别特征的组件或步骤。在另一可替换实施方案中，本发明的仪器或方法可以被陈述或描述成由某些组件或步骤组成，则在该实施方案中会不存在除了已经声明的那些以外的组件或步骤。
在陈述或描述在本发明的仪器中存在某组件或者在本发明的方法中存在某步骤时，用到了不定冠词“某”或“某个”，应该理解，除非明确给出了相反声明或描述，则使用所述不定冠词并不将所述仪器中存在的组件数目或所述方法中存在的步骤数目限定为一个。
权利要求
1.用于调谐高温超导体螺旋共振器共振频率的方法，包括用激光束烧蚀所述螺旋共振器的所述高温超导体螺旋的高温超导体的部分。
2.权利要求1的方法，其中通过在所述高温超导体螺旋的外端烧蚀所述高温超导体来增加所述共振频率。
3.权利要求1的方法，其中通过在所述高温超导体螺旋的内端烧蚀所述高温超导体来降低所述共振频率，其中在所述高温超导体螺旋的所述内端处将要被微调的区域的深度d小于λ/50，其中λ是所传播电磁波的波长。
4.权利要求1的方法，其中通过在沿着所述高温超导体螺旋的至少一个内部位置处烧蚀所述高温超导体来调谐所述共振频率。
5.权利要求4的方法，其中在所述高温超导体螺旋的所述内部位置处的电流密度量低得足以使所述共振频率由于激光烧蚀而增加。
6.权利要求4的方法，其中在所述高温超导体螺旋的所述内部位置处的电流密度量高得足以使所述共振频率由于激光烧蚀而降低。
7.权利要求1的方法，其中所述共振频率通过在下列一个或多个位置处烧蚀所述高温超导体而增加(a)在所述高温超导体螺旋的外端；(b)在所述高温超导体螺旋的内端，其中在所述高温超导体螺旋的所述内端处将被微调的区域的深度d小于约λ/50，其中λ是所传播电磁波的波长；和(c)在所述高温超导体螺旋的至少一个内部位置，在所述位置处电流密度低得足以使共振频率由于激光烧蚀而增加。
8.权利要求1的方法，其中所述共振频率通过在下列一个或多个位置处烧蚀所述高温超导体而降低(a)在所述高温超导体螺旋的内端，其中在所述高温超导体螺旋的所述内端处将被微调的区域的深度d小于约λ/50，其中λ是所传播电磁波的波长；和(b)在所述高温超导体螺旋的至少一个内部位置，在所述位置处电流密度高得足以使共振频率由于激光烧蚀而降低。
9.用于调谐高温超导体滤波器的性质的方法，该滤波器包括至少两个高温超导体螺旋共振器，所述方法包括用激光束烧蚀一个或多个所述螺旋共振器的高温超导体螺旋的高温超导体的部分。
10.权利要求9的方法，其提供了基本上和所述滤波器的带通的选定中心频率相同的每一螺旋共振器的共振频率。
11.权利要求10的方法，其中通过在所述高温超导体螺旋的所述外端烧蚀所述高温超导体，从而将所述至少一个螺旋共振器的所述共振频率提高到所述选定中心频率。
12.权利要求10的方法，其中通过在所述高温超导体螺旋的所述内端烧蚀所述高温超导体，从而将所述至少一个螺旋共振器的所述共振频率降低到所述选定中心频率，其中在所述高温超导体螺旋的所述内端处将被微调的区域的深度d小于约λ/50，其中λ是所传播电磁波的波长。
13.权利要求9的方法，其中通过在沿着所述高温超导体螺旋的至少一个内部位置烧蚀所述高温超导体，对所述至少一个螺旋共振器的共振频率进行调谐。
14.权利要求13的方法，其中在所述高温超导体螺旋的所述内部位置处的电流密度量低得足以使所述共振频率由于激光烧蚀而增加。
15.权利要求13的方法，其中在所述高温超导体螺旋的所述内部位置处的电流密度量高得足以使所述共振频率由于激光烧蚀而降低。
16.权利要求9的方法，其中(a)通过在所述高温超导体螺旋的所述外端烧蚀所述高温超导体，使至少一个螺旋共振器的共振频率增加；和(b)通过在所述高温超导体螺旋的所述内部位置烧蚀所述高温超导体，使至少另一个螺旋共振器的共振频率下降，在所述内部位置处电流密度高得足以使共振频率由于激光烧蚀而降低。
17.权利要求9的方法，其中所述至少一个螺旋共振器的共振频率通过在下列一个或多个位置处烧蚀所述高温超导体而增加(a)在所述高温超导体螺旋的外端；(b)在所述高温超导体螺旋的内端，其中在所述高温超导体螺旋的所述内端处将被微调的区域的深度d小于约λ/50，其中λ是所传播电磁波的波长；和(c)在所述高温超导体螺旋的至少一个内部位置，在所述位置处电流密度低得足以使共振频率由于激光烧蚀而增加。
18.权利要求9的方法，其中所述至少一个螺旋共振器的共振频率通过在下列一个或多个位置处烧蚀所述高温超导体而降低(a)在所述高温超导体螺旋的内端，其中在所述高温超导体螺旋的所述内端处将被微调的区域的深度d小于约λ/50，其中λ是所传播电磁波的波长；和(b)在所述高温超导体螺旋的至少一个内部位置，在所述位置处电流密度高得足以使共振频率由于激光烧蚀而降低。
19.形成高温超导体电路元件的方法，包括a)在基底上形成高温超导体材料膜；和b)用激光束蚀刻所述高温超导体膜的选定区域，同时保护所述高温超导体膜的形成所述电路元件图案的其它部分不被烧蚀。
20.权利要求19的方法，其中所述高温超导体电路元件是高温超导体滤波器。
21.权利要求20的方法，其中所述高温超导体滤波器包括至少两个高温超导体螺旋共振器。
22.权利要求19的方法，其中所述高温超导体电路元件是高温超导体线圈。
23.权利要求22的方法，其中所述高温超导体线圈是高温超导体平面线圈。
24.用于对高温超导体平面线圈的共振频率进行调谐的方法，包括用激光束烧蚀所述高温超导体平面线圈的高温超导体的部分。
25.权利要求24的方法，其中通过在所述高温超导体平面线圈的外端烧蚀所述高温超导体，提高所述共振频率。
26.权利要求24的方法，其中通过在所述高温超导体平面线圈的内端烧蚀所述高温超导体，提高所述共振频率。
27.权利要求24的方法，其中通过在沿着所述高温超导体平面线圈的至少一个内部位置烧蚀所述高温超导体，调谐所述共振频率。
28.权利要求27的方法，其中在所述高温超导体平面线圈的所述内部位置处的电流密度量低得足以使共振频率由于激光烧蚀而增加。
29.权利要求27的方法，其中在所述高温超导体平面线圈的所述内部位置处的电流密度量高得足以使共振频率由于激光烧蚀而降低。
30.权利要求24的方法，其中所述共振频率通过在下列一个或多个位置处烧蚀所述高温超导体而增加(a)在所述高温超导体平面线圈的外端；(b)在所述高温超导体平面线圈的内端；和(c)在所述高温超导体平面线圈的至少一个内部位置，在所述位置处电流密度低得足以使共振频率由于激光烧蚀而增加。
31.权利要求24的方法，其中所述共振频率通过在所述高温超导体平面线圈的至少一个内部位置处烧蚀所述高温超导体而降低，在所述内部位置处电流密度高得足以使所述共振频率由于激光烧蚀而降低。
32.通过权利要求1-8任一项的方法调谐的高温超导体螺旋共振器。
33.高温超导体滤波器，包括至少两个通过权利要求8-18任一项的方法调谐的高温超导体螺旋共振器。
34.通过权利要求19的方法形成的高温超导体电路元件。
35.高温超导体滤波器，包括至少两个通过权利要求21的方法形成的高温超导体螺旋共振器。
36.通过权利要求23的方法形成的高温超导体平面线圈。
37.通过权利要求24-31任一项的方法调谐的高温超导体平面线圈。
全文摘要
本发明提供了激光微调方法，用于调谐螺旋共振器的频率，以及用于通过对单个高温超导体螺旋共振器进行调谐以改善包括高温超导体螺旋共振器的高温超导体滤波器的性质。本发明还提供了用于调谐高温超导体平面线圈的共振频率的方法。本发明还提供了用于形成高温超导体电路元件的激光烧蚀方法。
文档编号H01P7/00GK1938899SQ200480040686
公开日2007年3月28日 申请日期2004年11月19日 优先权日2003年11月21日
发明者R·阿尔瓦雷斯, C·埃斯特拉达, P·J·马丁, J·D·麦坎布里奇, R·J·罗西, S·－Y·沈, J·－S·郭 申请人:纳幕尔杜邦公司